MRAM關鍵工藝步驟

非易失性MRAM芯片組件通常在半導體晶圓廠的后端工藝生產，下面英尚微電子介紹關于MRAM關鍵工藝步驟包括哪幾個方面.

 

(1)底部電極的形成(參考圖1)：經由傳統圖案化與鑲嵌工藝形成的底部電極層需要拋光至平坦，并為MTJ堆棧沉積提供超光滑的表面。在這個步驟中，測量和控制底部電極的平滑度對組件性能至關重要，必須控制和監控金屬電極的最終高度，同時也必須毫無缺陷。

 

 

圖1：MRAM底部電極(BE)形成。

 

(2) MTJ堆棧沉積(參考圖2)：MRAM是使用單個一體化的機臺進行物理氣相沉積(PVD)，可以精確地沉積20至30個不同的金屬和絕緣層，每個金屬層和絕緣層的厚度通常在0.2至5.0nm之間。必須精確測量和控制每一層的厚度、均勻性、粗糙度和化學計量。氧化鎂(MgO)膜是MTJ的核心，它是在自由層(free layer)和參考層(reference layer)之間形成障壁(barrier)的關鍵層，需要以0.01nm的精度進行沉積，以重復實現目標電阻面積乘積(RA)和隧道磁阻(TMR)特性。RA和TMR是決定組件性能、良率和可靠性的關鍵參數，甚至只有幾個缺失的原子也會嚴重影響RA和TMR，這解釋了為什么量測在MRAM制造中如此重要。

 

 

圖2：典型的MRAM堆棧沉積范例。

 

(3) 磁退火：沉積后的堆棧退火確定了參考層(MgO下方的界面)和MgO穿遂障壁的晶體取向。通常，MTJ在高溫下在磁場中退火，以改善材料和界面質量并確定磁化方向。在此步驟之后，為了進行工藝控制需要對MTJ的電和磁特性進行監控。這些是制造mram芯片的關鍵在線量測(inline metrology)步驟。

 

(4) MTJ柱圖案化(參考圖3)：MRAM單元通常是直徑約20~100nm的圓形柱。從光罩到光阻，從光阻到MTJ迭層的圖案轉移需要精確控制，從而使組件正常運作。透過非透明的MTJ堆棧進行微影迭對圖案對準是一個挑戰。離子束蝕刻必須保證支柱蝕刻后完好無損，并且在MTJ底部電極上停止蝕刻的同時，不會在其側壁留下金屬再沉積。蝕刻腐蝕、損壞和沿MgO暴露層的金屬再沉積是關鍵問題，必須在此步驟中進行監控。監視和控制最終MTJ柱的高度和形狀(主要是在MgO接口)以及柱的直徑對于實現均勻的單元圖案至關重要，這反過來又使得MRAM單元的開關分布最小化。最后，封裝層覆蓋了所有內容，以保護MTJ組件。該層必須毫無缺陷，并且其厚度必須滿足規格要求。

 

 

圖3：蝕刻的MRAM柱(在封裝層之前)。

 

(5)頂部電極的形成：頂部電極的形成與底部電極非常相似，其關鍵是圖案對準。在最終結構中使用雙重鑲嵌工藝、CD、形狀、輪廓和深度以及任何類型的缺陷都很重要 。


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